FR2919970A1

FR2919970A1 - Systeme de refroidissement de rotor pour des machines synchrones munies de gaines conductrices.

Info

Publication number: FR2919970A1
Application number: FR0701731A
Authority: FR
Inventors: Daniel M Saban; Jeffrey Hoobler
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2009-02-13
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: FR2919970B1; US7208854B1; GB2436019B; GB2436019A; GB0704499D0

Abstract

Une machine synchrone à bobinage de champ comprend un refroidissement direct de l'huile suivant une gaine conductrice munie de canaux allongés (52) de forme semi-arquée qui s'alternent avec des canaux à barre d'amortisseur (54) contenant des structures de support de tirant. Une réduction de l'épaisseur de la gaine par refroidissement direct a permis de réduire le poids total de la machine.

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT DE ROTOR POUR DES MACHINES SYNCHRONES MUNIES DE

GAINES CONDUCTRICES

Contexte de l'invention La présente invention concerne une machine synchrone à bobinage de champ, et plus particulièrement un système de refroidissement destiné à un système de générateur électrique de poids réduit.

Des véhicules, comme des avions utilisent souvent un système de générateur électrique pour fournir la puissance électrique. Les générateurs convertissent l'énergie mécanique provenant de la rotation du moteur en énergie électrique pour le véhicule. L'utilisation de gaines conductrices dans des machines synchrones à bobinage de champ est courante. Dans certaines applications aérospatiales où le poids est une caractéristique essentielle, il peut y avoir un souhait d'utiliser également la gaine pour fournir une rigidité supplémentaire à la structure du rotor. Cependant, des pertes électriques peuvent exister dans la gaine conductrice en raison du champ magnétique changeant. Ces pertes peuvent provoquer l'augmentation de la température de la gaine à des niveaux indésirables à des endroits particuliers liés aux champs magnétiques changeants. Une diminution de l'épaisseur de la gaine entraîne une réduction de poids, mais la réduction d'épaisseur est un compromis dans lequel l'augmentation de la température est amplifiée et la rigidité de l'ensemble rotor est réduite. Par conséquent, il est souhaitable de fournir un système de générateur électrique de poids réduit qui fonctionne à une température réduite tout en augmentant la rigidité de l'ensemble rotor.

Résumé de l'invention Une machine synchrone à bobinage de champ selon la présente invention comprend un refroidissement direct de l'huile à travers un noyau de rotor adjacent à une gaine conductrice munie de canaux allongés de forme semi-arquée qui s'alternent avec des canaux à barre d'amortisseur qui contiennent des structures de support de tirant. La gaine conductrice refroidie directement fonctionne à une température inférieure à celle d'une construction classique. Le refroidissement direct de l'huile minimise les points chauds localisés et permet de concevoir la gaine pour une température de service inférieure. Etant donné que la limite d'élasticité de la gaine augmente lorsque la température maximale diminue, la température de service inférieure permet de fabriquer la gaine pour former une construction plus fine tout en maintenant la limite d'élasticité souhaitée. La gaine plus fine diminue les pertes électromagnétiques provenant des courants de Foucault, ce qui par la suite réduit davantage la température de service de la gaine de façon à pouvoir fabriquer la gaine à une épaisseur encore plus fine de sorte qu'un compromis optimal du poids et de la rigidité est obtenu de telle manière que le poids total de la machine est ainsi réduit. La présente invention fournit donc un système de générateur électrique de poids réduit qui fonctionne à une température réduite tout en augmentant la rigidité de l'ensemble rotor.

Brève description des dessins Les différentes caractéristiques et avantages de cette invention deviendront plus évidents aux hommes du métier en lisant la description détaillée suivante du mode de réalisation préféré. Les 2 0 dessins qui accompagnent la description détaillée peuvent être décrits brièvement comme suit : la figure 1 représente une vue schématique d'un exemple d'utilisation du système de générateur avec la présente invention ; la figure 2 représente une vue schématique d'un système d'huile 25 de refroidissement ; la figure 3A représente une vue en perspective d'un système de générateur selon la présente invention ; la figure 3B représente une coupe prise suivant la ligne 3B-3B ; la figure 3C représente une coupe prise suivant la ligne 3C-3C 30 la figure 3D représente une vue en perspective de l'ensemble rotor ; la figure 3E représente une vue en perspective des disques de tôles de rotor et des enroulements ; la figure 3F représente une coupe d'un rotor prise suivant l'axe de 35 rotation transversal au faisceau d'enroulements la figure 3G représente une coupe du rotor prise à travers l'axe de rotation ; la figure 3H représente une vue élargie de la figure 3F illustrant un pont d'enroulement ; la figure 3I représente une `nie en perspective des disques de tôles de rotor sans le faisceau d'enroulements ; la figure 3J représente une vue éclatée des supports de spires d'extrémité de rotor et des disques de tôles ; la figure 3K représente une coupe prise suivant la ligne 3G-3G sur la figure 3B ; et la figure 3L représente une vue schématique du flux de l'huile de 10 refroidissement à travers l'ensemble rotor.

Description détaillée du mode de réalisation préféré La figure 1 illustre une vue de principe schématique générale d'un système de générateur électrique sans balai 10 qui comprend un 15 ensemble rotor 12 entraîné autour d'un axe de rotation A par un générateur de force motrice comme une turbine à gaz E. Il est entendu que bien que le système soit décrit en fonction d'un générateur synchrone, il peut également être utilisé comme moteur synchrone comme dans un système de générateur de démarrage pour avion. Il est 20 également clair que bien qu'un agencement de composants particulier est dévoilé dans le mode de réalisation illustré, d'autres agencements vont tirer profit de la présente invention. Le système de générateur 10 comprend de préférence un carter de transmission multiplicateur intégral G, un système de lubrification ou 25 refroidissement L (également illustré de manière schématique sur la figure 2) et un générateur magnétoélectrique (PMG) pour l'alimentation du boîtier de régulateur d'alternateur (GCU). Un générateur principal (MG) est de préférence une machine synchrone à bobinage de champ bipolaire 170/ 170kVA (WFSM) fonctionnant de manière nominale à 30 24000 tr/min. Le courant d'excitation du rotor est fourni à partir de la sortie d'un ensemble à redresseur tournant (RRA) 30 qui est alimenté par un excitateur (un WFSM plus petit muni d'un enroulement de champ sur le stator). Le GCU fournit du courant électrique au champ excitateur converti à partir du PMG. Le refroidissement est assuré par 35 un flux d'huile de refroidissement à travers l'arbre du rotor commun 16. Le RRA 30 se trouve dans la voie de passage de l'huile de refroidissement de sorte que plusieurs orifices d'arbre 44 (illustrés de

manière schématique) fournissent une pulvérisation de refroidissement au RRA, à l'excitateur et aux spires d'extrémités de MG. Il faut comprendre que le RRA 30 peut être situé autour et/ou dans l'arbre 16. Le système 10 comprend un ensemble rotor 12 qui soutient une série d'aimants permanents 18. Un stator 20 équipé d'enroulements 22 entoure les aimants 18 et définit le PMG. Le courant électrique généré dans l'enroulement 22 au cours de la rotation de l'arbre du rotor 16 est fourni via des conducteurs adaptés et un contrôleur électronique (non représenté), aux enroulements 24 dans un stator d'excitation 26. Des enroulements 28 dans lesquels le courant alternatif est induit pendant la rotation de l'arbre du rotor 16 sont alignés de manière axiale avec le stator d'excitation 26 et sont portés par l'arbre du rotor 16. Le courant alternatif induit dans les enroulements 28 est communiqué au RRA 30 où il est redressé en courant continu ; en général à partir d'un courant alternatif triphasé. Le courant continu provenant du RRA 30 est ensuite amené à l'enroulement de champ principal 32 en alignement avec l'ensemble stator du générateur principal 34 de MG. L'ensemble stator principal 34 comprend des enroulements 36 dans lesquels un courant alternatif est induit et qui, par des conducteurs adaptés (non représentés), peut être relié à des charges adaptées. Pour augmenter davantage la capacité du système, l'arbre du rotor 16 est équipé d'une entrée d'huile 40 et d'une sortie d'huile 42 pour fournir un conduit permettant à l'huile de refroidissement de s'écouler à travers celui-ci et d'être pulvérisée dans l'ensemble rotor 12 à travers des orifices de pulvérisation 44. L'huile de refroidissement agit pour refroidir le liquide de l'ensemble rotor 12 ainsi qu'à des fins de lubrification (figure 2). En se référant à la figure 3A, l'ensemble rotor 12 comprend une gaine de retenue de rotor 46 qui entoure un noyau de rotor principal 47 comportant plusieurs disques de tôles de rotor 48 et un faisceau d'enroulements du rotor principal 50 (figure 3B). Les disques de tôles 48 sont généralement superposés dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation A. Il est entendu qu'un noyau de rotor non laminé solide pourra également être utilisé avec la présente invention. Le faisceau d'enroulements du rotor principal 50 dispose de préférence de cinq

couches de 34-33-34-33-34 spires respectivement de #14AWG (calibre américain des fils) pour un total de 168 spires. En se référant à la figure 3C, la gaine de retenue de rotor 46 rigidifie le noyau de rotor 47 lors de la rotation rapide de l'ensemble rotor 12. Pour diminuer de manière significative le poids de la machine par des changements de conception principalement électromagnétiques (E/M) suivant l'axe principal, l'arbre principal du rotor 16 est fabriqué de préférence à partir d'un alliage de titane. La réduction du poids de l'arbre permet d'obtenir une gaine de retenue de rotor plus fine 46 et une diminution de poids associée dans le stator ID et OD. Ceci permet d'obtenir un ensemble rotor plus léger 12 et par conséquent une gaine de retenue de rotor plus légère et plus fine 46, ce qui permet un entrefer E/M plus petit. La performance transitoire s'améliore, en particulier puisque la baisse de l'entrefer électromagnétique grâce aux rendements de la gaine plus fine a permis d'obtenir une machine à puissance volumique plus élevée mais à haute réactance. Le noyau de stator peut ensuite être conçu pour les contraintes dictées par l'augmentation de la température des enroulements. Les contraintes concernant le nombre de couches d'enroulements et la taille maximale des câbles permettent de déterminer l'enroulement de champ de rotor final (et la configuration des disques de tôles). Etant donné que la limite d'élasticité de la gaine de retenue de rotor 46 augmente lorsque la température maximale diminue, la gaine de retenue de rotor 46 peut être plus fine. La gaine plus fine diminue les pertes électromagnétiques ce qui diminue la température de service de la gaine de retenue de rotor 46 et permet de réduire davantage l'épaisseur de la gaine de retenue de rotor 46 jusqu'à obtenir une épaisseur préférée. La gaine de retenue de rotor 46 est fabriquée de préférence en un seul matériau comme de l'acier inoxydable non magnétique ou du titane ou une gaine à plusieurs couches comme une couche de cuivre, d'aluminium ou d'argent plaquée par explosion à de l'acier inoxydable non magnétique ou du titane. La couche externe servant principalement à la conductivité, la couche interne principalement à la rigidité. En variante, la gaine de retenue de rotor 46 peut être fabriquée en un matériau composite non métallique. En se référant à la figure 3D, plusieurs canaux de refroidissement de gaine 52 et plusieurs canaux à barre d'amortisseur 54 sont définis suivant un côté ou bord des disques de tôles 48 (également illustré sur les figures 3F-3H). Un ou plusieurs canaux à barre d'amortisseur 54 peuvent contenir un tirant 56 (figure 3H) monté à l'intérieur. Les barres d'amortisseur forment une partie de l'enroulement de l'amortisseur ou du circuit amortisseur. Il s'agit principalement d'un circuit conducteur situé principalement dans la quadrature avec l'enroulement de champ principal. Il est similaire à un circuit conducteur de rotor à cage d'écureuil que l'on trouve dans des machines à induction. Les barres d'amortisseur (généralement du cuivre dur) sont reliées de manière 10 mécanique et électrique (généralement brasées ou soudées) aux fonds de capot (généralement des bandes de cuivre reliant des barres d'amortisseur d'un pôle à celles d'un autre pôle) sur chaque extrémité du noyau. L'objectif du circuit amortisseur consiste à réduire ou éliminer l'oscillation de vitesse. Tout champ magnétique imprimé sur le 15 rotor qui tourne de manière asynchrone avec le rotor va produire un courant dans les barres d'amortisseur et ainsi un couple qui tend à amener le rotor en synchronisme avec le champ magnétique rotatif dominant. De préférence, les tirants 56 s'étendent approximativement de 76 degrés par face polaire autour de l'axe de rotation A. Le premier 20 objectif, utilisé ici, est de rigidifier mécaniquement le rotor, le rotor est le plus faible dans l'axe du circuit de l'amortisseur, il est donc commode d'enlever quelques barres d'amortisseur et d'utiliser maintenant les encoches vides (dans le rotor, là où les barres d'amortisseur se trouvent généralement) pour des tirants 25 Plusieurs canaux de refroidissement de gaine 52 sont intercalés entre les canaux à barre d'amortisseur 54 pour extraire la chaleur de la gaine 46 (figure 3C). Plusieurs canaux de refroidissement de gaine 52 sont en communication fluidique avec le système lubrifiant L à travers un support de spires d'extrémité 58A (figures 3I et 3J). 30 Une entretoise relativement fine 60 comme une entretoise en forme de ruban est tissée entre les couches des enroulements du rotor principal 50 à chaque extrémité pour permettre à l'huile de refroidissement de pénétrer (et de sortir) du faisceau d'enroulements 50 (figures 3B et 3J). Ceci étant, l'entretoise 60 fournit une certaine 35 séparation entre les couches du faisceau d'enroulements de sorte que l'huile de refroidissement peut s'écouler entre eux.

En se référant à la figure 3J, le support de spires d'extrémité 58 définit des canaux d'huile de refroidissement 62A-62B. Les canaux de refroidissement de faisceau de câbles 62A (figure 3B) fournissent une voie de passage consacrée dans le faisceau d'enroulements 50 (figure 3K). Les canaux de refroidissement 62B enveloppent le faisceau de connexions 50 pour fournir un passage d'huile de refroidissement à une ouverture de refroidissement 62C qui alimente les canaux de refroidissement de gaine 52 adjacents à la gaine 46 (figures 3C et 3L). Ceci étant, les canaux 62A fournissent un flux de refroidissement d'huile dans le faisceau d'enroulements 50 et des canaux de refroidissement 62B fournissent un flux qui s'écoule généralement autour du faisceau d'enroulements et dans les canaux 52. Il s'agit notamment de la force centrifuge qui conduit l'huile de refroidissement vers l'extérieur aux canaux de refroidissement de gaine 52. 1.5 Le passage de refroidissement consacré fourni par les canaux de refroidissement de gaine 62 et la séparation des couches d'enroulement facilite le refroidissement et minimise les points chauds localisés formés dans la gaine de retenue de rotor 46 qui permet à la gaine de retenue de rotor 46 d'être conçue pour des températures inférieures à celles d'une 2 C) construction classique. La gaine conductrice refroidie directement fonctionne à une température inférieure à celle d'une construction classique. Le refroidissement direct de l'huile minimise des points chauds localisés et permet de concevoir la gaine pour une température de service inférieure. 25 Etant donné que la limite d'élasticité de la gaine augmente lorsque la température maximale diminue, la température de service inférieure permet de fabriquer la gaine pour former une construction plus fine tout en maintenant la limite d'élasticité souhaitée. La gaine plus fine diminue les pertes électromagnétiques provenant des courants de 3 Ci Foucault ce qui réduit ensuite davantage la température de service de la gaine de sorte que la gaine peut être fabriquée à une épaisseur encore plus fine de sorte qu'un compromis optimal du poids et de la rigidité est obtenu de telle manière que le poids total de la machine est ainsi réduit. En se référant à la figure 3H, le flux d'huile de refroidissement 35 entre dans l'arbre 16 depuis le tube de transfert 65 (figure 3K). Les orifices 44 (figures 1 et 2) détournent une partie de l'huile de refroidissement pour fournir un refroidissement par pulvérisation

consacré au stade d'excitation de RRA 30, aux enroulements de stator principaux, à l'engrènement et aux paliers. Cependant le passage de refroidissement de rotor primaire traverse le RRA 30 et entre dans le champ principal 32 et la gaine 46.

Le flux d'huile de refroidissement provenant de l'arbre 16 empiète directement sur la région d'extrémité du faisceau d'enroulements du rotor principal 50 qui est soutenue par le support d'extrémité 58. La région d'extrémité est soutenue dans la région en forme de selle 64 (figure 3J). Le canal de refroidissement 62A permet à l'entretoise 60 d'être enroulée entre des couches d'enroulement et de fournir une voie de passage à l'huile de refroidissement. Les canaux de refroidissement 62B permettent à l'huile de refroidissement de passer autour et en dessous du faisceau d'enroulements du rotor principal 50 et de s'écouler dans les canaux de refroidissement de gaine 52.

L'huile de refroidissement s'écoule à travers les canaux de refroidissement de gaine 52 et retourne à l'intérieur de l'arbre 16 à travers des ouvertures de refroidissement 68 dans le support d'extrémité 58B. L'huile de refroidissement dans le faisceau d'enroulements retourne à l'arbre du rotor 16 à travers les canaux de refroidissement 62B dans le support d'extrémité opposé 58B. Une partie du flux de retour peut en variante ou en plus sortir de l'arbre 16 à travers des orifices de pulvérisation du stator 70 (illustrés de manière schématique) pour fournir une pulvérisation de refroidissement aux autres composants (figure 1).

En variante, pour augmenter la rigidité du rotor, des tirants sont placés dans les encoches desquelles des barres d'amortisseurs alternatifs sont enlevées lorsque la portée des encoches d'amortisseur tend à être relativement plus importante que le nombre réel. Les tirants peuvent être filetés suivant un segment d'extrémité et être munis d'une tête sur l'autre segment. Les tirants passent ensuite à travers, par exemple, du surplomb de fenêtre d'arbre et à travers les encoches de barres d'amortisseur vides. Un autre procédé permettant de refroidir la gaine utilise les canaux à barre d'amortisseur comme des canaux de refroidissement d'huile plutôt que les canaux consacrés décrits ci-dessus. Il est entendu que des termes de position relative comme devant , à l'arrière , supérieur , inférieur , au-dessus , en

dessous et similaire font référence au fonctionnement normal du véhicule et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. Il est clair que bien qu'un agencement de composants particulier est décrit dans le mode de réalisation illustré, d'autres agencements vont tirer profit de la présente invention. Bien que des séquences d'étapes particulières soient représentées, décrites et revendiquées, il est entendu que les étapes peuvent être réalisées dans n'importe quel ordre, être séparées ou combinées sauf indication contraire et vont toujours tirer profit de la présente invention.

La description précédente est un exemple plutôt qu'une définition de ses limites. De nombreuses modifications et variations de la présente invention sont possibles compte tenu des enseignements ci-dessus. Les modes de réalisation préférés de cette invention ont été décrits, mais, un homme du métier reconnaît que certaines modifications s'inscrivent dans la portée de cette invention. Il est donc entendu que dans la portée des revendications jointes, l'invention peut être réalisée d'une autre manière que celle décrite de manière spécifique. Pour cette raison, les revendications suivantes doivent être étudiées pour déterminer la véritable portée et le contenu de cette invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Ensemble rotor (12) pour un générateur comprenant : un arbre (16) défini le long d'un axe de rotation (A) ; un noyau de rotor principal (47) monté sur ledit arbre (16) ; et une gaine (46) montée autour dudit noyau de rotor principal (47) servant à définir une multitude de canaux de refroidissement (52) entre eux.

2. Ensemble rotor (12) selon la revendication 1, dans lequel ledit arbre (16) est fabriqué en alliage de titane.

3. Ensemble rotor (12) selon la revendication 1, dans lequel ledit noyau de rotor principal (47) comprend une multitude de disques de tôles (48).

4. Ensemble rotor (12) selon la revendication 1, dans lequel ladite multitude de canaux de refroidissement (52) se situe dans une périphérie dudit noyau de rotor principal (47) adjacent à ladite gaine (46).

5. Ensemble rotor (12) selon la revendication 4, dans lequel chaque canal de refroidissement (52) est un évidement semi-arqué formé dans la périphérie dudit noyau de rotor principal (47).

6. Ensemble rotor (12) selon la revendication 4, dans lequel au moins un de ladite multitude de canaux de refroidissement (52) se situe de manière parallèle à une encoche d'amortisseur (54).

7. Ensemble rotor (12) selon la revendication 6, comprenant en outre un tirant (56) situé à l'intérieur de ladite encoche d'amortisseur (54).

8. Ensemble rotor (12) selon la revendication 1, dans lequel ladite multitude de canaux de refroidissement (52) est généralement parallèle audit axe de rotation (A).

9. Système de générateur (10) comprenant : un ensemble rotor (12) ; et un système de refroidissement (L) en communication avec ledit ensemble rotor (12), ledit système de refroidissement (L) communiquant une huile de refroidissement entre une périphérie d'un noyau de rotor principal (47) et une gaine (46) montée autour dudit noyau de rotor principal (47).

10. Système de générateur (10) selon la revendication 9, dans lequel ledit système de refroidissement (L) communique ladite huile de refroidissement depuis l'intérieur d'un arbre (16) vers un support de spires d'extrémité et dans au moins un d'une multitude de canaux de refroidissement (52) adjacents à ladite gaine (46).

11. Système de générateur (10) selon la revendication 9, dans lequel ledit ensemble rotor (12) comprend une multitude d'encoches d'amortisseur (54) autour de ladite périphérie dudit noyau de rotor principal (47).

12. Système de générateur (10) selon la revendication 11, dans lequel ladite multitude d'encoches d'amortisseur (54) s'alterne avec ladite multitude de canaux de refroidissement (52), ladite multitude de canaux de refroidissement (52) définie entre ledit noyau de rotor principal (47) et ladite gaine (46).

13. Système de générateur (10) selon la revendication 11, dans lequel ledit système de refroidissement (L) communique ladite huile de refroidissement à travers au moins une de ladite multitude d'encoches d'amortisseur (54).

14. Système de générateur (10) selon la revendication 9, dans lequel ledit système de refroidissement (L) communique ladite huile de refroidissement à travers un arbre (16) du rotor pour empiéter sur un 2 0 support de spires d'extrémité d'un enroulement de champ principal dudit ensemble rotor (12).

15. Système de générateur (10) selon la revendication 14, comprenant en outre une entretoise (60) située entre au moins deux couches dudit enroulement de rotor principal. 25

16. Système de générateur (10) selon la revendication 9, dans lequel ledit arbre (16) du rotor est fabriqué en alliage de titane.

17. Procédé pour un ensemble rotor (12) d'une machine synchrone à bobinage de champ comprenant les étapes suivantes de : (1) communication d'un réfrigérant liquide entre une périphérie 30 d'un noyau de rotor principal (47) et une gaine (46) montée autour dudit noyau de rotor principal (47).

18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel ladite étape (1) comprend un outre, l'étape de : (a) communication du réfrigérant liquide à travers l'arbre (16) du 35 rotor ; et (b) incidence du réfrigérant liquide sur un enroulement de champ principal soutenu sur le noyau de rotor principal (47).

19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel ladite étape (1) comprend en outre l'étape de (c) communication du réfrigérant liquide à travers l'enroulement de champ principal.

20. Procédé selon la revendication 17, dans lequel ladite étape (1) comprend en outre l'étape de (a) communication du réfrigérant liquide suivant une multitude de canaux de refroidissement (52) formés dans la périphérie du noyau de rotor principal (47).

21. Procédé selon la revendication 20, dans lequel ladite étape (1) comprend en outre l'étape de (a) alternance de la multitude de canaux de refroidissement (52) avec une multitude de canaux amortisseurs (54).

22. Procédé selon la revendication 17, dans lequel ladite étape (1) comprend en outre : (a) la communication du réfrigérant liquide suivant une multitude de canaux amortisseurs (54) formés dans la périphérie du noyau de rotor principal (47), au moins un de la multitude de canaux amortisseurs (54) présentant un tirant (56) au moins partiellement à l'intérieur.